Wodór rozwiązaniem problemów energetyki XXI wieku? INDUSTRIA 2023-02-28

Wodór rozwiązaniem problemów energetyki XXI wieku?

Wojna w Ukrainie nie zmieniła wspólnotowego podejścia do transformacji europejskiej gospodarki i energetyki. Ambitne, wcześniejsze plany stały się jeszcze bardziej ambitne, z tym że nie są już oparte wyłącznie na klimatycznym argumentowaniu.

Teraz wiodącą rolę pełni paradygmat bezpieczeństwa, który po 24 lutego przybrał na sile w wielu europejskich stolicach. Bezpieczeństwo, szczególnie w wymiarze energetycznym, przywdziało oblicze surowców kopalnych – ropy i gazu. Europa powoli, mozolnie, ale zorientowała się jak przez lata uzależniła się od surowców kopalnych z Rosji. Dzisiaj ta zależność jest ogromną słabością Europy w działaniach zmierzających do poskromienia imperialnych zapędów Rosji.

Trudno dziś wyobrazić sobie świat bez surowców kopalnych. Samochody elektryczne są promilem w ogólnej liczbie samochodów jeżdżących po naszych drogach, a gaz ziemny nadal stanowi podstawowy surowiec w przemyśle, szczególnie ciężkim i nawozowym. Tenże sam gaz miał stać się pomostem pomiędzy wysokoemisyjną energetyką węglową a zeroemisyjnymi Odnawialnymi Źródłami Energii. Dzisiaj, kiedy 40 procent dostaw gazu do Europy pochodzi z Rosji, a ekonomicznie opłacalnych alternatyw nie jest zbyt wiele, plan ten stanął pod znakiem zapytania. Dyskusja o tym „co zamiast” przyśpieszyła, a dobrego rozwiązania tego problemu, póki co nie opracowano. Jak zatem poradzić sobie z tym wyzwaniem?

Odpowiedź jest banalna, a jednocześnie niezwykle trudna w wykonaniu – trzeba postawić na rozwój. Na rozwój tego, co dzisiaj wydaje się melodią przyszłości, ale niebawem może stać się codziennością. Coraz głośniej mówimy o technologiach wodorowych, które z jednej strony są bezemisyjne (lub niskoemisyjne, w zależności od technologii produkcji nośnika energii) a z drugiej, w odróżnieniu od źródeł odnawialnych, jak słońce czy wiatr – przewidywalne i stabilne. Sam wodór nie jest niczym nowym. Od lat stosowany jest w licznych gałęziach przemysłu, m.in. w procesach rafineryjnych podczas produkcji paliw. Wodór służy w rafineriach jako związek ułatwiający przerób ciężkich frakcji ropy naftowej. Nasz kraj, co interesujące, jest w czołówce pięciu największych na świecie producentów tego nośnika energii. Jest on jednak praktycznie w całości zużywany w procesach produkcyjnych a sama jego produkcja nie należy do niskoemisyjnych. Powszechnie przyjęło się nazywać go „wodorem szarym”. Do kolorów wodoru powrócę jeszcze w dalszej części.

Zastosowanie wodoru jako paliwa przyszłości może być rozmaite. W pierwszej kolejności, jego właściwości jako nośnika energii mogą być wykorzystane w przemyśle, który dziś w dużej mierze opiera się na gazie ziemnym. Duże piece hutnicze, koksownicze czy produkcja nawozów to branża, która zużywa dziś największą część konsumowanego w Europie błękitnego paliwa. Kolejną branżą jest sektor transportu ciężkiego zarówno drogowego jak i kolejowego. Wodór może również wyprzeć paliwa kopalne z napędów żeglugi. Paliwo to też w formie ogniw wodorowych może być wykorzystane w pojazdach osobowych czy transporcie zbiorowym. Cały czas trwają również dyskusje o wykorzystaniu wodoru w energetyce i ciepłownictwie. Wszystkie te zastosowania wymagają jednak technologicznego dopracowania i dużych nakładów finansowych. Wodór jako gaz jest silnie wybuchowy. Jego zastosowanie np. w motoryzacji wymaga szczególnej ostrożności. Również w sektorze energetycznym wykorzystanie tego nośnika energii nie jest proste. W pierwszej kolejności, według planów m.in. spółek energetycznych, jest tworzenie mieszanin gazu ziemnego (lub w przyszłości biometanu) z wodorem.

Początkowo takie mieszanki mają nie przekraczać od 5 do 15 procent udziału wodoru w całościowej mieszaninie. Wybuchowość wodoru nie jest jedynym wyzwaniem związanym z tym paliwem. Wodór jako najmniejszy atom występujący w naturze wymaga odpowiedniego sposobu transportu czy przesyłu. Jego właściwości chemiczne powodują, że nie może on być transportowany „zwykłymi” stalowymi rurami czy przewożony w standardowych cysternach. Gaz ten „ulatnia się”, powodując korodowanie ścianek rur czy zbiorników, stwarzając zagrożenie wybuchem po zetknięciu z powietrzem atmosferycznym. Aby bezpiecznie transportować to paliwo, trzeba stworzyć praktycznie od nowa sieć przesyłową, co jest trudne zarówno pod względem kosztowym, organizacyjnym jak i regulacyjnym. Wiele firm energetycznych, przesyłowych czy dystrybucyjnych prowadzi swoje wewnętrzne badania na temat przesyłu określonych proporcji wodoru zmieszanego z gazem ziemnym. To właśnie przesył wodoru na większe odległości, stanowi w chwili obecnej jedno z głównych wyzwań w rozwoju i popularyzacji tego alternatywnego nośnika energii.

Kolejnym z wyzwań jest sama produkcja wodoru. Tutaj wracamy do popularnego w wielu środowiskach „kolorowania” wodoru. Kolorowanie przyjęło się jako klasyfikację wodoru ze względu na źródło jego wytworzenia. Wyróżniamy kolory szary, zielony, żółty czy fioletowy. Z tą klasyfikacją jednak nie zgadza się wielu stronników tego nośnika. Obecnie około 96 procent wyprodukowanego wodoru ma kopalną proweniencje. Najbardziej popularną metodą produkcji wodoru ze źródeł kopalnych jest tzw. reforming parowy. Reforming parowy polega na połączeniu pary o temperaturze 800-950°C z metanem. Mieszanina ta powoduje reakcję chemiczną, w której powstaje wodór, tlenek węgla i dwutlenek węgla. Pozostały tlenek węgla w zetknięciu z parą również rozkłada się na wodór i dwutlenek węgla. Proces ten jest wysoko emisyjny – na około 1 kg wodoru powstaje około 12 kg dwutlenku węgla co powoduje, że obecnie nie jest on traktowany jako alternatywa wobec paliw kopalnych. Jednak zwolennicy wprowadzenia wodoru uważają, że nie klasyfikacja kolorystyczna jest istotna, a to „czy” i „ile” CO2 jest emitowane ostatecznie do atmosfery. W przyszłości, kiedy technologia wychwytywania dwutlenku węgla z atmosfery z użyciem technologii CCS (Carbon Capture Storage) czy CCU (Carbon Capture Utilisation) zostanie zastosowana, możliwe stanie się praktycznie niewpływające na atmosferę wytwarzanie wodoru nawet ze źródeł emisyjnych takich jak np. gaz ziemny.

Jednak rozwój i chęć zerwania z paliwami kopalnymi powoduje, że docelowo, produkcja wodoru opierać ma się na bezemisyjnych źródłach energii, tak aby od początku, jego wytwarzanie nie niosło żadnych dodatkowych kosztów z zarządzaniem wytworzonymi przy okazji gazami cieplarnianymi. Europa coraz więcej inwestuje w odnawialne źródła energii. Powstają wiatraki na lądzie, coraz więcej powstaje ich również na morzu. Z każdym tygodniem przybywa liczba prosumentów, którzy instalują panele fotowoltaiczne na dachach. Rośnie również liczba dużych farm słonecznych. Inwestując w OZE powoli pojawia się wyzwanie związane z zarządzaniem wyprodukowaną energią. Niestabilny i niesterowalny cykl pracy tych źródeł, zależnych również od czynników metrologicznych wymaga, aby ich praca wspierana była źródłami o stabilnym cyklu pracy. Na dzisiaj, takie możliwości dają wyłącznie elektrownie konwencjonalne opalane paliwami kopalnymi.

Dodatkowo OZE często wytwarza nadmiar energii, kiedy energia ta nie jest potrzebna w krajowym systemie elektroenergetycznym. Tutaj w sukurs może przyjść wodór, wytwarzany w sposób, który jest najbardziej pożądany, a więc w procesie elektrolizy. Elektroliza polega na wiązaniu energii elektrycznej z wodą. Podczas tego procesu przerwane zostają wiązania wodoru i tlenu tworząc gazowy wodór i tlen. Wodór ten może być magazynowany, a później spalany/współspalany, aby wytworzyć energię elektryczną w generatorach turbinowych. W odróżnieniu od bateryjnych magazynów energii, wodór jako nośnik energii jest znacznie bardziej wydajny energetycznie. Dodatkowo jego zastosowanie jest znacznie szersze niż tylko jako paliwo służące produkcji energii w energetyce. Po oczyszczeniu i załadowaniu ogniw paliwowych jest to doskonały sposób na elektryfikację transportu. Dodatkowo wodór po odpowiedniej obróbce może być surowcem do tworzenia np. amoniaku, który jest znacznie prostszym paliwem w transporcie niż czysty wodór, a jego zastosowanie jest równie szerokie co samego wodoru. Jednym z największych, potencjalnych docelowych branż, w których zastosowanie może znaleźć „zielony amoniak” jest sektor żeglugowy, który potrzebuje paliwa powszechnego, a jednocześnie bezpiecznego pod względem eksploatacji, a także branża chemiczna i nawozowa. Dzisiaj amoniak w głównej mierze powstaje z wodoru „szarego”, który z kolei powstaje z reformingu parowego, w którym głównym surowcem jest metan.

Również w naszym kraju trwają intensywne prace nad rozwojem technologii związanych z wodorem. Nasze plany transformacji energetycznej, w której dużą rolę odegrać mają odnawialne źródła energii, wymuszają pracę również nad sposobami magazynowania energii. Morskie Farmy Wiatrowe, które mają powstać na polskich wodach Morza Bałtyckiego są idealnym miejscem na realizację polskich planów związanych z produkcją, magazynowaniem oraz przetwarzaniem „zielonego wodoru”.

Pod koniec 2021 roku, polski rząd przyjął Strategię Wodorową do 2030 roku, która zakłada, że do 2030 roku w Polsce zostaną zainstalowane elektrolizery o łącznej mocy 2 GW. Dodatkowo powstać ma pięć dolin wodorowych, w których będzie produkowany, magazynowany i przetwarzany ten zielony nośnik energii. Kilka miesięcy wcześniej, w październiku, zawiązano porozumienie sektorowe na rzecz rozwoju gospodarki wodorowej w Polsce, pod patronatem Ministerstwa Klimatu i Środowiska. Ten strategiczny dokument określa ramy współpracy i koordynacji działań związanych ze stworzeniem całkiem nowej gałęzi polskiego przemysłu. Równie intensywnie na wodór stawiają polskie spółki energetyczne. Jeden z polskich przedsiębiorców, na początku marca 2022 roku, opublikował własną strategię rozwoju wodoru. Do 2030 roku, firma planuje posiadać 540 MW mocy w nisko i zeroemisyjnych instalacjach produkcji wodoru. Po 2030 roku ma to być już ponad 1 GW. Dodatkowo, spółka planuje postawić 100 stacji wodorowych – zarówno w Polsce jak i w pozostałych państwach, w których jest aktywna biznesowo.

Trendu rozwoju paliw alternatywnych, na czele z wodorem, nie da się odwrócić. Można tworzyć własne technologie i rozwiązania lub kupić gotowe produkty za granicą. Na szczęście, dzieje się to pierwsze. Należy kibicować tym staraniom, bo wodór to nie tylko najmniejszy atom. To także klucz do rozwoju kolejnych sektorów gospodarki – od produkcji elektrolizerów, ogniw wodorowych, turbin i generatorów opalanych wodorem czy wytwarzania pochodnych, takich jak wspomniany amoniak. Wodór to również szansa dla polskich uczelni i ośrodków badawczych. Boom na OZE nie powiedzie się, jeżeli nie będziemy mieli w tyle głowy, co dalej. Nie stać nas na marnowanie energii elektrycznej, której nie będziemy mogli wykorzystać, a będzie produkowana np. w farmach na Bałtyku. Dziś nie stać nas na niegospodarność zasobami energetycznymi. A wodór, przy dobrych wiatrach, może nam wydatnie pomóc.

*Marcin Roszkowski - Prezes Instytutu Jagiellońskiego. Przedsiębiorca. Poprzednio także pracownik naukowy ISP PAN, wykładowca Collegium Civitas, dyrektor Departamentu Komunikacji i Promocji NBP, szef działu PR i rzecznik prasowy Muzeum Powstania Warszawskiego, rzecznik prezydenta Warszawy oraz wicedyrektor Biura Spraw Międzynarodowych w Kancelarii Prezydenta RP. Główne kierunki badań: energetyka odnawialna, studia strategiczne i stosunki międzynarodowe.

Świętokrzyska Grupa Przemysłowa INDUSTRIA wyrasta z 150-letniej historii Kieleckich Marmurów oraz przemysłowych tradycji regionu. INDUSTRIA łączy te tradycje z nowoczesnymi technologiami i dbałością o środowisko naturalne.

Dane grupy

Świętokrzyska Grupa Przemysłowa
INDUSTRIA S.A.
ul. Na Ługach 7
25-803 Kielce

Adres korespondencyjny
ul. Sandomierska 105
25-324 Kielce
tel.: +48 (41) 330 15 00

2023 © Świętokrzyska Grupa Przemysłowa INDUSTRIA S.A.